הכל אודות סיבי פחמן ואיך הם מיוצרים

נקרא גם סיבי גרפיט או גרפיט פחמן, סיבי פחמן מורכב מגדילים דקים מאוד של היסוד פחמן. לסיבים אלה חוזק מתיחה גבוה והם חזקים במיוחד לגודלם. למעשה, צורה אחת של סיבי פחמן - ה צינור פחמןזה נחשב לחומר החזק ביותר שקיים. סיבי פחמן יישומים כוללים בנייה, הנדסה, חלל, כלי רכב בעלי ביצועים גבוהים, ציוד ספורט וכלי נגינה. בתחום האנרגיה משתמשים בסיבי פחמן בייצור להבי טחנות רוח, אגירת גז טבעי ותאי דלק להובלה. בענף המטוסים יש לו יישומים גם במטוסים צבאיים ומסחריים, כמו גם בכלי טיס בלתי מאוישים. לצורך חיפושי נפט הוא משמש לייצור פלטפורמות וקידוחים למים עמוקים.

עובדות מהירות: סטטיסטיקה של סיבי פחמן

סיבי פחמן עשויים מפולימרים אורגניים, המורכבים ממחרוזות ארוכות של מולקולות המוחזקות יחד על ידי אטומי פחמן. מרבית סיבי הפחמן (כ 90%) מיוצרים מתהליך ה- polyacrylonitrile (PAN). כמות קטנה (כ -10%) מיוצרת מזוהר או מתהליך המגרש הנפט.

גזים, נוזלים וחומרים אחרים המשמשים בתהליך הייצור יוצרים אפקטים, איכויות וציונים ספציפיים של סיבי פחמן. יצרני סיבי פחמן משתמשים בנוסחאות ושילובים של חומרי גלם קנייניים עבור החומרים שהם מייצרים ובכלל, הם מתייחסים לניסוחים ספציפיים אלה כאל סודות מסחריים.

סיבי הפחמן בדרגה הגבוהה ביותר עם המודולוס היעיל ביותר (קבוע או מקדם המשמש לביטוי תואר מספרי ל אשר לחומר יש תכונה מסוימת, כגון גמישות) תכונות משמשות ליישומים תובעניים כגון תעופה וחלל.

יצירת סיבי פחמן כוללת תהליכים כימיים וגם מכניים. חומרי גלם, הידועים כמבשרים, נמשכים לחוטים ארוכים ואז מחוממים לטמפרטורות גבוהות בסביבה אנאירובית (ללא חמצן). במקום לשרוף, החום הקיצוני גורם לאטומי הסיבים לרטוט בצורה כה אלימה עד שכמעט כל האטומים שאינם פחמן גורשים.

לאחר השלמת תהליך הפחמן, הסיבים הנותרים מורכבים משרשראות אטום פחמן ארוכות הדוקות זו בזו ללא מעט אטומים שאינם פחמן. לאחר מכן שוזרים סיבים אלה לבד או משולבים עם חומרים אחרים אשר לאחר מכן נפצעים או חוטים נימה לצורות והגדלים הרצויים.

חמשת המקטעים הבאים אופייניים בתהליך PAN לייצור סיבי פחמן:

1. מסתובב. PAN מעורבב עם מרכיבים אחרים ומסתחרר לסיבים, שנשטפים ואז נמתחים.
2. מייצבת. הסיבים עוברים שינוי כימי לייצוב ההדבקה.
3. פחמן. סיבים מיוצבים מחוממים לטמפרטורה גבוהה מאוד ויוצרים גבישי פחמן קשורים היטב.
4. טיפול במשטח. פני השטח של הסיבים מחמצנים לשיפור תכונות ההדבקה.
5. גודל. סיבים מצופים ונפתחים על גבי סלים המועמסים על מכונות מסתובבות המסובבות את הסיבים לחוטים בגודל שונה. במקום להיות ארוגים לבדיםניתן גם ליצור סיבים מרוכבים חומרים, באמצעות חום, לחץ או ואקום בכדי לקשור סיבים יחד עם פולימר פלסטי.

צינורות פחמן מיוצרים בתהליך שונה מסיבי פחמן סטנדרטיים. הערכות כחזקות פי 20 מקודמותיהן, צינורות ננו מזויפים בתנורים המעסיקים לייזרים כדי לאדות חלקיקי פחמן.

ייצור סיבי פחמן טומן בחובו מספר אתגרים, ביניהם:

• הצורך בשחזור ותיקון חסכוני יותר
• עלויות ייצור בלתי בר-קיימא עבור יישומים מסוימים: לדוגמה, למרות שטכנולוגיה חדשה נמצאת בפיתוח בגלל עלויות אוסרות, השימוש בסיבי פחמן בתעשיית הרכב מוגבל כיום לביצועים גבוהים ויוקרה כלי רכב.
• יש לווסת בזהירות את תהליך הטיפול במשטח כדי להימנע מיצירת בורות אשר גורמים לסיבים פגומים.
• בקרה צמודה נדרשת בכדי להבטיח איכות עקבית
• בעיות בריאות ובטיחות כולל גירוי בעור ובנשימה
• קשתות ומכנסיים קצרים במכשור חשמלי בגלל המוליכות האלקטרו החזקה של סיבי פחמן

ככל שטכנולוגיית סיבי הפחמן ממשיכה להתפתח, האפשרויות לסיבי פחמן רק יגוונו ותגברו. במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, מספר מחקרים המתמקדים בסיבי פחמן כבר מראים הבטחה רבה ליצירת טכנולוגיות ייצור ועיצוב חדשים כדי לענות על התעשייה המתעוררת דרש.

MIT פרופסור חבר להנדסת מכונות ג'ון הארט, חלוץ ננו-צינור, עבד עם תלמידיו למען שינוי הטכנולוגיה לייצור, כולל התבוננות בחומרים חדשים שישמשו יחד עם מדפסות תלת מימד מסחריות. "ביקשתי מהם לחשוב לגמרי מהפסים; אם הם היו מסוגלים להרות מדפסת תלת מימדית שמעולם לא נוצרה לפני כן או חומר שימושי שלא ניתן להדפיס באמצעות מדפסות נוכחיות, "הסביר הארט.

התוצאות היו מכונות אב-טיפוס שהדפיסו זכוכית מותכת, גלידה מוגשת רכה - ומרכיבי סיבי פחמן. לדברי הרט, צוותי הסטודנטים גם יצרו מכונות שיכולות להתמודד עם "שחול מקביל של פולימרים בשטח גדול" ולבצע "סריקה אופטית במקום" של תהליך ההדפסה.

בנוסף, הרט עבד עם פרופסור חבר לכימיה מירקאה דינקה ב- MIT על שיתוף פעולה שנמשך שלוש שנים עם Automobili Lamborghini. לחקור את האפשרויות של סיבי פחמן וחומרים מורכבים חדשים שיכולים יום אחד לא רק "לאפשר להשתמש בגוף המכונית השלם מערכת סוללות, "אך הובילה ל"גופים קלים וחזקים יותר, ממירים קטליטים יעילים יותר, צבע דק יותר והעברת חום משופרת של רכבת כוח [בסך הכל]."

עם פריצות דרך מדהימות כאלה באופק, אין זה פלא כי שוק סיבי הפחמן צופה מ -4.7 דולר מיליארד בשנת 2019 ל 13.3 מיליארד דולר עד 2029, בקצב צמיחה שנתי מורכב (CAGR) של 11.0% (או מעט גבוה יותר) בתקופה המקבילה של זמן.

• מקונל, ויקי. "ייצור סיבי פחמן." CompositeWorld. 19 בדצמבר 2008
• שרמן, דון. "מעבר לסיבי פחמן: החומר הפורץ הבא הוא חזק פי 20." רכב ונהג. 18 במרץ, 2015
• רנדל, דניאלה. “חוקרי MIT משתפים פעולה עם למבורגיני כדי לפתח מכונית חשמלית של העתיד. " MITMECHE / בחדשות: המחלקה לכימיה. 16 בנובמבר 2017
• "שוק סיבי פחמן על ידי חומר גלם (PAN, Pitch, Rayon), סוג סיבים (בתולה, ממוחזר), סוג מוצר, מודולוס, יישום (מרוכבים, לא מורכבים), תעשיית שימוש קצה (A & D, רכב, אנרגיית רוח), ואזור - תחזית גלובלית לשנת 2029. " ™ MarketsandMarkets. ספטמבר 2019